Solución Analítica y Numérica para un Problema Bidimensional de Transferencia de Calor en Materiales Bicapa
DOI:
https://doi.org/10.70567/mc.v42.ocsid8207Palabras clave:
Transferencia de calor, Materiales multicapa, Materiales compuestos, Resistencia térmica de la interfaz.Resumen
En este trabajo se estudia un problema 2D de transferencia de calor transitoria de un cuerpo bicapa embebido en un fluido en movimiento. Se considera un proceso de transferencia completo teniendo en cuenta la difusión, la disipación convectiva, las pérdidas de flujo lateral, la generación interna de calor y la resistencia térmica que ofrece la interfaz, en la cual se cumple la continuidad del flujo y se presenta un salto de temperatura. La situación de interés se modela matemáticamente, se encuentran soluciones analíticas explícitas utilizando técnicas de Fourier y se formula un esquema convergente en diferencias finitas para simular casos particulares. La solución es consistente con resultados anteriores. Se incluye un ejemplo numérico que muestra coherencia entre los resultados obtenidos y la física del problema.
Citas
Becker S. y Herwing H. One dimensional transient heat conduction in segmented fin-like geometries with distinct discrete peripheral convection. Int. J. Therm. Sci., 71:148–162, 2013. https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2013.04.004.
De Monte F. Transient heat conduction in one-dimensional composite slab. a ’natural’ analytic approach. Int. J. Heat Mass Transfer, 43(19):3607–3619, 2000. https://doi.org/10.1016/S0017-9310(00)00008-9.
Dias C. A method of recursive images to solve transient heat diffusion in multilayer materials. Int. J. Heat Mass Transfer, 85:1075–1083, 2015. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2014.12.033.
Esho I., Shah K., y Jain A. Measurements and modeling to determine the critical temperature for preventing thermal runaway in li-ion cells. Appl. Therm. Eng., 145:287–294, 2018. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2018.09.016.
Hickson R., Barry S., y Mercer G. Critical times in multilayer diffusion. part 1: exact solutions. Int. J. Heat Mass Transfer, 52:5776–5783, 2009. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2009.08.013.
Jain A., Zhou L., y Parhizi M. Multilayer one-dimensional convection-diffusion-reaction (cdr) problem: Analytical solution and imaginary eigenvalue analysis. Int. J. Heat Mass Transfer, 177:121465, 2021. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2021.121465.
Johansson B. y Lesnic D. A method of fundamental solutions for transient heat conduction in layered materials. Eng. Anal. Boundary Elem., 33(12):1362–1367, 2009. https://doi.org/10.1016/j.enganabound.2009.04.014.
Kim A. Complete analytic solutions for convection-diffusion-reaction-source equations without using an inverse laplace transform. Sci. Rep., 10:8040, 2020. https://doi.org/10.1038/s41598-020-63982-w.
Pennes H., Shah K., y Jain A. Analysis of tissue and arterial blood temperature in the resting human forearm. J. Appl. Phys., 1(2):93–122, 1948. https://doi.org/10.1152/jappl.1948.1.2.93.
Rodrigo M. y Worthy A. Solution of multilayer diffusion problems via the laplace transform. J. Math. Anal. Appl., 444(1):475–502, 2016. https://doi.org/10.1016/j.jmaa.2016.06.042.
Rubio D., Tarzia D., y Umbricht G. Heat transfer process with solid-solid interface: Analytical and numerical solutions. WSEAS trans. Math., 20:404–414, 2021. https://doi.org/10.37394/23206.2021.20.42.
Skyllas-Kazacos M., Chakrabarti M., Hajimolana S., Mjalli F., y Saleem M. Progress in flow battery research and development. J. Electrochem. Soc., 158(8):R55–R79, 2011. https://doi.org/10.1149/1.3599565.
Umbricht G. y Rubio D. Optimal estimation of thermal diffusivity in an energy transfer problem. WSEAS trans. Fluid Mech., 16:222–231, 2021. https://doi.org/10.37394/232013.2021.16.21.
Umbricht G., Rubio D., Echarri R., y Hasi C.E. A technique to estimate the transient coefficient of heat transfer by convection. Lat. Am. Appl. Res., 50(3):229–234, 2020. https://doi.org/10.52292/j.laar.2020.179.
Umbricht G., Rubio D., y Tarzia D. Determination of thermal conductivities in multilayer materials. WSEAS trans. Heat Mass Transfer, 17:188–195, 2022a. https://doi.org/10.37394/232012.2022.17.20.
Umbricht G., Rubio D., y Tarzia D. Bilayer one-dimensional convection–diffusion–reactionsource problem: Analytical and numerical solution. Int. J. Therm. Sci., 208(1):109471, 2025. https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2024.109471.
Umbricht G., Tarzia D., y Rubio D. Determination of two homogeneous materials in a bar with solid-solid interface. Math. Modell. Eng. problem, 9(3):568–576, 2022b. https://doi.org/10.18280/mmep.090302.
Descargas
Publicado
Número
Sección
Licencia
Derechos de autor 2025 Asociación Argentina de Mecánica Computacional
Esta obra está bajo una licencia internacional Creative Commons Atribución 4.0.
Esta publicación es de acceso abierto diamante, sin ningún tipo de costo para los autores ni los lectores.
Solo se publicarán aquellos trabajos que han sido aceptados para su publicación y han sido presentados en el congreso de AMCA.
